Big Bang 7, Schulbuch

30 RG 7.1 G 7.1 Kompetenzbereich Elektromagnetische Wellen 30.3 Holzofenpizza und Sonnenbrand Infrarot und Ultraviolett In diesem Abschnitt geht es um jene EM-Wellen, die direkt an das sichtbare Licht angrenzen, nämlich Infrarot und Ultraviolett. Infrarot schließt an den sichtbaren roten Bereich des Lichts an (Abb. 28.3, S. 15). Weil Menschen und deren Augen ver- schieden sind, gibt es abweichende Angaben über diese Grenze, die von 7,5 · 10 –7 m bis 8 · 10 –7 m reichen. Oft wird Infrarot mit Wärmestrahlung gleichgesetzt. Das ist aber nur die halbe Wahrheit beziehungsweise physikalisch gesehen schlampig. Es gibt zahlreiche Anwendungen, bei denen IR durch Laser oder Laserdioden (Kap. 35.4, S. 83) erzeugt wird, etwa bei Fernbedienungen, Lichtschranken, Rauchmeldern und Schnittstellen von Laptops oder Handys, aber auch bei der Datenübertragung durch Glasfaserkabel (Abb. 35.24, S. 85) und beim medizinischen Laser. In all diesen Fällen liegt der Ursprung des Infrarots nicht in der Wärmestrahlung eines Objekts. Auf der anderen Seite strahlen Körper mit einigen hundert Kelvin, also so gut wie alle Gegenstände in deiner Umgebung, Infrarot (Abb. 30.14), und daher kommt auch die saloppe Gleichsetzung von IR und Wärmestrahlung ( F12 ). Bleiben wir bei der Wärmestrahlung: Diese ist neben Wärmeleitung und Konvektion der dritte Mechanismus der Wärmeübertragung ( F11 ), der aber im Gegensatz zu den beiden anderen nicht an Materie gebunden ist. Wärme- strahlung gibt es auch im Vakuum. Welche Formen der Wärmeübertragung gibt es? Was versteht man unter dem Gesetz von Stefan und Boltzmann? Wie kommt der Treibhauseffekt zu Stande? Lies nach in Kap. 12, „Big Bang 5“. Umgangssprachlich wird Infrarot immer mit Wär- mestrahlung gleichgesetzt. Warum ist das nicht korrekt? Heiße Speisen und Marathonläufer im Ziel werden in spiegelnde Folien eingepackt, um sie vor dem Ausküh- len zu schützen. Haben so dünne Folien wirklich Sinn? Warum bekommt man auch von einer superhellen Lampe keinen Sonnenbrand? Lies nach in Kap. 33.3, S. 57! Was versteht man unter dem Ozonloch und was hat es mit UV-Licht zu tun? Wie lautet der Zusammenhang zwischen Photonen- energie und Frequenz? Sieh nach in Kap. 30.1, S. 27! F11 W1 F12 E1 F13 S1 F14 W1 F15 E1 F16 W1 Wenn Gegenstände große Flächen haben und ihre Tempera- turen weit über der der Umgebung liegt, kann der Wärme- verlust durch Strahlung beträchtlich sein. Mit speziellen Kameras kann man Wärmebilder erstellen und so etwa die Isolation von Häusern überprüfen. Metalle reflektieren EM-Wellen, also auch Wärmestrahlung. Das nutzt man bei innen verspiegelten Thermosgefäßen aus und bei Alufolien, in die man Speisen und Menschen einpacken kann. Info: Pizza und Marathonläufer Ultraviolett schließt an den violetten Bereich des Lichts an (Abb. 28.3, S. 15), und man unterteilt es in UV-A bis UV-C (Tab. 30.1). Ein Teil des Sonnenlichts liegt im UV-Bereich (Abb. 30.5, S. 27). Ein gewisses Maß an Sonne ist gesund, weil es das Wohlbefinden steigert und die Bildung von Vitamin D anregt. Ein Zuviel ist aber wegen des UV-Anteils schädlich und kann zu Hautkrebs führen. Abb. 30.13: Schwarz- körperstrahlung bei einigen 1000K (a) und bei Zimmertempera- tur (b): Bei b ist die Kurve um den Faktor 1 Million überhöht, um sie darstellen zu können. Abb. 30.14: Die Intensität der Wärme- strahlung in Falschfar- bendarstel- lung Pizza und Marathonläufer Schätzen wir die wärmedämmende Wirkung von Alufolien ab. Nimm an, eine große Pizza kommt mit 80 °C (353K) aus dem Holzofen und hat einen Durchmesser von 37cm. Das macht, beide Seiten gerechnet, eine Fläche von 0,22m 2 . Nehmen wir vereinfacht an, die Pizza ist ein schwarzer Strahler. Dann kann man die abgestrahlte Wärme mit dem Gesetz von J OSEPH S TEFAN und L UDWIG B OLTZMANN berechnen: I = s · A · T 4 . σ (Sigma) ist die Stefan-Boltzmann-Konstante (5,7· 10 –8 W/m 2 K 4 ). Die Pizza strahlt 190W ab, bekommt aber vom Zimmer (293K) nur rund 90W zurück. Bleibt netto eine Wärmestrahlung von 100W über. Eine Alufolie wirkt also so, als würdest du die Pizza in die Mikrowelle legen und auf 100W aufdrehen ( F13 )! Das ist schon was! Wenn ein Marathonläufer (Hautfläche 1,8m 2 ) eine Hauttemperatur von 35 °C hat und draußen hat es 15 °C, dann ergibt das net- to eine Wärmestrahlung von 217W. Eine Aludecke wirkt also so, wie eine Heizleistung von über 200W! Beeindruckend! i Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv